预警卫星大口径拼接组合型二元衍射校正元件制作工艺研究

　　1　概　述

　　预警卫星是工作在地球同步轨道上的军事卫星。利用预警卫星上的红外望远镜可探测导弹助推段喷射的火焰及高温物质的红外辐射,是监视导弹发射,提供飞行信息和告警的重要手段。一般在全球同步轨道上布置3~5颗预警卫星,可监视全球导弹发射。

　　为了增加扫描范围,降低信噪比和提高分辨率,预警卫星要求有一个大视场大口径的红外光学系统,通常采用施密特望远镜结构,在球形反射镜的曲率中心位置放置一块非球面折射式校正镜,可在弯曲的像面上取得较好的像质。但是对于口径为φ900 mm的施密特望远镜系统来说,估计其校正板的口径在φ500 mm以上,如此大口径的红外光学材料在国内是难以解决的,其加工和检测的难度也很大。国内目前的水平是在口径约φ200 mm的范围内可以保证材料的理化性能和光学性能的均匀性。为从根本上解决大视场大口径红外光学系统的材料、制作和轻量化问题,人们开始将目光转向二元光学技术。美国的Perkin-elmer公司在施密特望远镜系统中首先采用了二元光学校正板,来取代施密特校正板并取得了良好的效果[1]。这一研究为在预警卫星大口径光学系统中应用二元光学奠定了基础。

　　2　二元衍射施密特校正板设计

　　传统的施密特系统由一块反射镜和一块像差校正板组成,反射镜承担了全部的光焦度,在球心放置施密特校正板校正像差并充当孔径光阑。由于施密特系统本身没有慧差、像散和畸变,因而只需校正球差。一般施密特系统的视场可达20°,相对孔径也能做到1~1/2,很容易实现窄波带的完善成像。但是,施密特系统校正板是高次非球面,加工过程有相当大的难度,很大程度上依赖于人的经验判断,尤其是大孔径红外光学元件更难保证其精度。用衍射光学元件取代折射非球面可望解决上述问题。

　　标准球面反射镜的球差。假设坐标原点设在球面顶点,则球面反射镜的方程为

　　式中的第一项是标准抛物面函数,不产生球差,其余项是球面反射镜与抛物面之间的光程差,即为球面反射镜的球差。当在空气中时,光程差为

　　为了消除球差,必须在系统中引入高次位相面来与(4)式的位相分布相抵消。根据施密特望远镜系统的结构,可由(4)式初步计算出位相函数的一系列系数,作为初值值代入ZMAX-EE光学程序,并以各视场的波像差均方根作为评价函数,对衍射面位相系数进行优化,结果得到近衍射极限的成像质量。

　　根据上述方法,利用ZEMAX-EE程序对一光学系统进行了优化设计,设计的主要指标为

　　光学系统直径:φ200 mm

　　波长: 3~5μm (λ0=4·3μm)